消化道取样微型机器人的研究现状和关键技术.pdf

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1、交叉学科： 机械工程 生物技术 消化道取样微型机器人的研究现状和关键技术 王利容朱文坚 ( 华南理工大学机械工程学院 ， 广州 5 1 0 6 0 4 ) 摘要消化道取样微型机器人是胃肠道疾病无创诊疗的研究热点， 介绍了国内外消化道取样微机器人的研究现状， 对取 样微型机器人的关键技术问题进行了详细分析。 关键词： 消化道取样微机器人关键技术 中图分类号： T P 2 3 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 1 3 1 3 3 ( 2 0 0 5 ) 1 1 - 0 1 2 7 - - 0 4 Pr e s e nt s t a t u s a nd k e y t e c h no l

2、 o g y f o r t h e s a m p l i n g mi c r o r o bo t o f a l i m e n t ar y t r a c t Wa n g L i r o n g ， Z h u We n j i a n ( S c h o o l o f me c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ， t h e s o u t h c h i n a u n i v e r s i t y o f t e c h n o l o g y， Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 ， C HN) Ab s

3、t r a c t T h e s a mp l i n g mi c r o r o b o t o f a l i me n t a r y t r a c t i s a n i mp o r t a n t i s s u r e f o r g a s t r o i n t e s t i n a l c anal wi t h n o wo u n d I n t rod u c e s t h e p r e s e n t s t a t u s an d d i s c u s s e s t h e k e y t e c h n o l o g y i n d e t

4、a i l for t h e g a s t r o i n t e s t i n al s a mp l i n g mi c ro r o b o t Ke y wo r d s ： Al i m e n t a r y t r a c t S a mp l i n g M i c r o r o b o t Ke y t e c h n o l o g y 1 引言 随着自动控制、 新材料技术、 无线通信等技术的迅 速发展， 医用微型机器人引起研究者 的广泛关 注。而 基于传感器技术和微电子技术高度发展相结合的产 物微机电系统( M E M S ) 的出现， 则给微创、 无创医 疗带

5、来了新的手段。M E M S 具有体积小、 多样性、 重量 轻、 能耗低、 响应快、 批量大、 成本低等优点， 能够进入 传统仪器不能到达的微小空间进行精密操作和微定位 等。结合 M E M S 技术改造传统医疗仪器以及研发新 的微型医疗仪器是 M E M S 技术在医疗工程领域中的 主要应用， 这为微创、 无创的消化道诊疗技术提供了一 个可行的有效途径 。 消化道微型机器人按临床应用 可分为 ： 内窥镜系 统、 药物释放系统、 消化道采样系统、 消化道监测系统、 手术机器人_ 2 等。2 0 0 1 年以色列 G iv e n I m a g i n g 公司 的 M 2 A J 、 E t

6、 本 R F公司的 N O R I K A 3无线内窥镜 进 入临床应用 ， 显示着消化道内窥镜机器人技术 日趋成 熟， 但是消化道取样微机器人至今尚未见有临床应用 的报道。取样微机器人作为消化道诊疗系统中重要的 一 部分 ， 目前在技术发展上还不成熟 ， 尚处于实验室研 究阶段。 2 消化道取样微型机器人的研究现状 在消化道取样微型机器人中， 胶囊式取样微型机 器人可以实现无创采样， 尤其可以进行小肠采样， 是消 化 道 微创、 无 创 诊疗技术研究的 重点之一。唱 翦班 的胶囊式取样微机器人很多都是采用由病 口腔吞 、 道液体采样方面的研究 ， j P 5 0 1 7 4 9 1 专利提出

7、利 用形状记忆合金在胃肠道进行采样或者药物释放。在 U S 4 4 8 1 9 5 2 、 U S 443 9 1 9 7 -,U S 4 5 0 7 1 1 5等专利中， 主要 采用真空吸附技术采集消化液体， 但这些装置的缺点 是： 不能准确控制样品入口的关闭， 有可能导致入E l 关 闭前， 样品流失或被污染。在 U S 5 2 1 7 449专利中， Y u d a 等人利用射频信号触发弹簧收缩产生瞬间真空_ 5 ， 将肠液吸套药丸， 缺点是由于胃肠道内并非充满了消 化液， 故很难保证吸人的是体内的空气还是消化液， 以 及吸入 的 肖 化液量是否满足检 查 的要求。在 U S 5 3 1

8、 6 0 1 5 专利中， S in a i k o 等人研究了一种利用微型磁 能驱动器驱动活塞工作采集胃肠道液体的可吞服式微 1 2 7 维普资讯 http:/ 交叉学科 ： 机械工 程 生物技 术 型胶囊 J 。该装置的取样入 口由可被肠液分解的膜 密封， 胶囊在体内的位置由体外超声波定位装置实现， 人 口可以在胶囊到达理想位置时准确关闭 ， 但是不能 实现精确定位取样。在 U S 5 9 7 1 9 4 2专利中， H o w a r d H G u 和 H a o L i a n g G u 开发了利用在肠道指定位置可 被分解的膜密封预置真空进行采集胃肠道液体 J ， 他 们还研制了一

9、种备有多个消化液存储室的采集装置 ( 见图 1 ) ， 各存储室的密封片厚度不相同， 需要不同的 时间被肠液全部分解 ， 从 而能够在 胃肠道 内不同区域 采集到样品。随着 ME MS技术的飞速发展 ， 许多研究 者开始采用微型泵、 微型阀等 M E M S 器件设计取样微 机器人。韩围 B y u n g k y u K i m在其“ 智能结肠镜系统 ( S ma r t c o l o n o s c o p e s y s t e m) ” 中拟用微型泵吮吸系统的 方法采集肠道液体 ， 已提 出了原理样机 J 。 图 1 消化液采集装 置 国内在取样微机器人方 面的研 究 尚处于起步 阶

10、 段， 在国家 8 6 3 项 目的支持下， 重庆大学、 第三军医大 学等单位合作开展了应用于中药药理学研究的消化道 采样药丸系统研究。 重庆大学生物力学及组织工程教育部重点实验室 提出了一种基于活塞工作原理的微型采样药丸 ( 见 图 0 样原理是 ： 采样用真空方式释放 ， 在常态下 ， 驱动机桐静止。肠液存储室空腔容积约为0 1 m L 。当 接到采样指令后， 驱动机构动作拉动活塞向远离单向 阀一侧运动， 肠液在储室内产生真空， 肠液通过单向阀 进入肠液存储室， 采样量约为 0 3 m L 。 图 2 微型采样药丸模型 华南理工大学机械设计研究所研究了一种基于 ME MS技术的磁控 电磁吸

11、取式 胃肠道取样微 型胶囊 ， 已实现通过体外遥控装置使微型胶囊在人体胃肠道内 定点无创取样， 并首次提出运用吸附纤维的毛细作用 和表面张力来吸 附胃肠道 微量液 体。其取样 ME M S 结构如图 3所示 ， 采用二级延 时控制系统 “ 。其缺 点是微胶囊靠胃肠 的蠕 动为前行动力 ， 因此不能对微 1 28 胶囊进行人为控制 ， 在复杂的非结构化的体内环境 ， 随 机因素和外界干扰对微胶囊的影响都比较大， 所采用 的外部磁控方法只能大致控制胶囊 在体内的位置 ， 很 难精确定位取样。 图 3 胃肠道取样 ME M S结构 3 取样微型机器人的关键技术 胃肠道取样微型机器人系统一般 由以下三

12、个部分 组成 ： 微执行机构 ； 能源和驱动装置 ； 控制系统。 由于进入体 内的取样微机器人的工作环境与工业 应用的情况有很大不同， 如粘滑、 皱折、 凹陷、 弯曲、 易 损软组织等， 所以该机器人必须具有驱动性能良好、 可 靠性高、 尺寸小、 能耗低， 且外壳与胃肠道需具有良好 的兼容性。同时， 还要考虑人体免疫系统的反应 ， 一些 效应如表面张力、 粘附、 摩擦等在微小条件下的表现与 宏观条件下不完全一样等问题_ l J 。 综上所述。取样微机器人应用于 胃肠道的关键技 术问题 如下 。 3 1 微型化技术 一 方面， 由于微机器人需要在 胃肠道 内运行 自如 并进行取样操作， 受胃肠道

13、生理条件的限制， 要求整个 机构尽可能微型化， 才能保证该机器人安全可靠地在 弯曲、 狭窄的空间顺利通过， 且能够在曲率较大的地方 顺利运行 ： 另一方面， 由于消化道疾病的易发群体 老年人的胃肠道蠕动能力较差 ， 为保证人的舒适性 ， 微 机器人的体积需尽可能小。根据成人消化道的基本尺 寸 ， 微 型机构的总体尺寸周向要小于 1 5 mm， 轴向须小 于 3 0 mm。 3 2 密封技术 由于胃肠道内部这一特殊的工作环境 ， 故机构必 须进行 良好的密封 ， 既要 防止取得 的消化液被其他部 位的液体污染 ， 又要防止微机器人污染 胃肠道 。在 u S 5 3 1 6 0 1 5 、 U S

14、 5 9 7 1 9 4 2等美国专利中， 许多学者利用可 被胃肠液分解的薄膜来密封取样人口， 薄膜采用石蜡、 甘油基硬脂酸盐等材料制成 ， 。国内各实验室主要 采用微机构密封取样人 口。 目前还没有哪一种密封技 术占主导地位， 都处于研究和开发中。 3 3 机构的可靠性技术 现代制造工程 2 0 0 S ( 1 1 ) 维普资讯 http:/ 微机器人跟随胃肠 道蠕动 的运动工况很复杂， 运 行速度不可控， 甚至有翻转的可能， 但整体器件不允许 分裂或散落 ， 即使受 到意外的破坏也不 能出现碎 片。 为了让微机器人安全地在消化道内完成活检取样 ， 除 了满足体积微小的要求外， 微机器人的表

15、面应光滑， 避 免突兀伸出的机构， 整体结构应尽量对称。 3 4 能源供给技术 微型机器人的能源供应有两种方式： 一种是 自身 携带能源装置， 即无缆电源； 另一种是由外部相连动力 线缆为微机器人提供能源， 即有缆电源。 由于微机器人在胃肠道内行走距离较长， 且工作 环境复杂， 若采用有缆电源的方法供电， 则要求供电线 缆的有效长度较长， 不仅增加了微机器人在作业过程 中的拖线阻力， 限制了其作业距离 ， 而且可能划伤消化 道内壁， 给病人带来痛苦和不便。若采用无缆的内置 动力源方式， 在长距离的复杂运行过程中， 需考虑如何 保证微机器人实现其载体及执行机构的能源供给。 目前研究的取样微机器人

16、主要采用无缆电源供 电， 利用电池、 微波或其他形式向微机器人供 电。内置 动力源主要由电池供给， 关键是找出能集成到微机器 人上的高能小电池。由于电池必须由微机器人自身携 带， 增加了载体的固有重量， 为了使微机器人作业的灵 活性和拆卸的方便， 在保证能源供给的前提下， 尽量减 少电池重量是十分必要的。因此需选择高能比而体积 小的电池。另外 ， 由于微机器人在 胃肠道 内工作 时间 难以准确控制 、 环境复杂、 温度变化大 ， 故 电池需具有 工作温度范围宽， 贮存电能寿命长等特点。 3 5 体内驱动技术 目前 ， 国内外学者 己研究 了多种 消化道微机器人 的体内驱动方法。根据仿生学原理，

17、 B r e t t S l a t k i n提 出 了一种基于尺蠖运动原理 的尺蠖型内窥镜微机器 人 。意大利学者 D a r i o p l 1 、 上海交通大学 等采 用的方法与此类似， 都是参考蚯蚓、 毛虫等动物的运动 研制 ， 这些方法驱动的微机器人在体 内运行过程中， 不 能有效避免与内腔壁之间发生直接接触， 机器人 和内 腔壁之间不能建立粘液润滑膜 ， 运动 时所产生的挤压 和摩擦会给内腔有机组织造成损伤。 浙江大学研制了基于动压润滑理论驱动 的微机器 人， 它采用人体内腔中的粘液作介质， 利用运动过程中 驱动器产生的动压效应使微机器人悬浮在内腔中， 同 时利用粘液在运动过程中

18、形成的摩擦牵引力， 带动微 机器人前移 “ 。 另外还有螺旋轮式、 压电元件、 电磁铁、 热膨胀等 驱动方式 ， 但这些驱动方式所需要 的电压和电流值都 现代制造工程 2 0 0 5 ( 1 1 ) 交叉学科： 机械工程 生物技术 相对较大， 由于取样微机 器人在 胃肠道 中要运行 7 1 0 m的距离， 长时间的电源供给对于希望发展的无缆 电源， 是相对困难的。而 胃肠道复杂的结构不宜采用 有缆电源。此外， 驱动机构在运行过程 中发热量较大， 会对胃肠道内壁有影 响， 易产生灼烧感。 胃肠道是一 个复杂的非结构化 的流体环境 ， 这给采用各种主动驱 动方式的微机器人的控制和操作带来了很大难度

19、。 另一方面， 采用非主动驱动方式 ， 即以胃肠蠕动为 驱动力的胶囊式取样微型机器人 ， 具有下列特点 ： 1 ) 不需外加驱动装 置， 大大简化机构， 体积减小， 重量相应减轻， 有利于微机器人的微型化和在狭小空 间内的运动。 2 ) 无需为外加驱动装置提供电源， 使机构不再因 为电源供给不足而无法前进， 也使得无缆电源的应用 成为可能。 3 ) 机构的发热量大大减少， 安全隐患减少， 提高 了人体的舒适度。 基于这些优点， 胶囊式取样微机器人获得研究者 的广泛关注， 正在研究探索中。 3 6 有效取样 目前， 消化道取样微机器人主要采用依靠胃肠蠕 动的驱动方式运行 ， 该机器人进入 胃肠道

20、后 ， 受生理条 件的限制， 个人的胃肠蠕动频率不同， 从而微机器人在 胃肠道内运行的速度也不同， 而且姿态难以控制， 因此 采用定时取样、 射频信号遥控取样等方式都很难真正 实现准确定位取样； 另一方面， 由于微机器人体积小， 使肠液存储室容积受到极大限制， 定位取样控制系统 在微小尺寸水平上 的集成是需要解决 的关键问题 ， 有 待集成技术的提高。在微机器人中加入窥视系统或将 驱动装置的机械运动与光、 电技术结合， 都会提高采样 的有效性， 将是取样微机器人发展的一个重要方面 。 4 结语 消化道取样微型机器人是微创 、 无创医疗微 型机 器人中重要的一部分， 对满足高龄化社会需要和推进

21、医学的发展有着重大 的意义 ， 具有广阔的开发和应用 前景。由于我国 ME MS技术发展水平的限制 ， 目前研 制的取样微机器人距离产品的实用化和商品化还有很 大差距， 有很多待解决的问题， 还需大量的动物实验和 临床试验验证 。随着 ME MS研究 的迅猛发展 以及计 算机、 纳米技术、 复合新材料技术等多种新型技术的突 破和融和， 如何添加其他配置或功能， 进一步缩小体 积， 精确定位， 结合 M E M S 技术实现集成化， 使各功能 ( 下转第 1 2 1 页) 1 2 9 维普资讯 http:/ 2 半精冲模 具简介 2 1 半 精 冲模 具结构及间隙 半精 冲 模 结构 如 图 2

22、所 。 为 示。冲 头 3通 过 连 接 螺 栓 5 和冲杆 4连接。 冲裁时 ， 冲头 3 在冲杆 4的带 动 下 由保 持 器 内部 向外冲裁 ， 即始 终 由上 向 间隙的2 3 下 ， 、冲 妻 图 2 半 精 冲 模 具 结 构 示 意 图 一 个孔， 冲头连 。 半 凹模 H 3 ： 冲 杆 同冲杆抬起， 工 5 连 接 螺 栓 6 定 位 盘 7 床 体 件在定位盘6 等装置的驱动下转 6 0 。 ， 再冲另一个孔， 当冲完6 个孔后， 完成一个工件的加工。凹模、 冲头工 作面间隙为 0 0 3 0 0 4 m m。非 工作 面间隙为 0 7 0 9 m m( 如图 2的 A A

23、剖面图所示) 。 冲头刃E l 形状如图2 放大图 I 所示， 刃E l 有0 0 3 0 1 mm平 刃 ， 采用 1 0 。 前 角 。 凹模 刃 E l 形状 如 图2 现 场 经验 放大图 所示 ， 采用 4 mm直刃 ， 2 。 后角。 凹模与工件相接触的表面必须与工件的表面形状 相吻合， 使冲裁受力平衡。 2 2 半精冲模所用材料及热处理 凹模、 冲头材料选用钢结硬质合金 D T 一 4 0 。淬火 回火后硬度为 6 4 6 7 H R C。表面粗糙度为 R a 0 4 1z m。 2 3 半精冲模具的调整与使用 调整模具时务必使冲头完全位于凹模孔中， 冲头 与工件非工作面两侧间隙

24、相等； 由于冲裁的工件结构 所限， 冲杆头部弹性变形比其他部位稍大， 为防止冲头 在冲削过程中与凹模相碰 ， 在设计 时，模具左侧 间隙 按总间隙的 1 3 、右侧 按总 间隙 的 2 3不等 问隙设 计 。 3 结语 该半精冲模具无论加工等壁厚或不等壁厚工件、 平板类及圆弧类工件均可达到工艺要求， 同时具有高 效率、 低成本特点， 可广泛用于微型车传动轴保持器窗 口的半精加工 ， 或用于其他孔类粗冲后需要进行半精 加工的工件 。 作者简介： 孟祥龙， 高级工程师， 硕士， 从事等速万向节传动轴制造 工 艺研 究。 收稿 日期 ： 2 0 0 5 0 5 0 5 ( 上接第 1 2 9页) 集

25、于一体， 实现无创取样应用于临床和商品化是今后 发展 、 研究的方向。 参考文献 1 汤扬华， 叶雄英等 微型机电系统在医疗中的应用 中国机 械工程 ， 2 0 0 1 ， 1 2 ( 2 ) 2 皮喜田， 郑小林 基于ME MS的消化道微型诊疗系统研究进 展 中国医疗器械信息， 2 0 0 5 ， 1 1 ( 3 ) 3 h t t p： www g i v e n i ma g i n g c o m 4 h t t p： www r f n o k k o c o r n 5 Y u d a ， S h u n i c h i ， h o ， e t a1 Me d i c a l c

26、a p s u l e a n d a p p a r a t u s f o r a c - t i v a t i n g t h e s a me US P a t e n t 5 2 1 7 4 4 9， 1 9 9 3 6 S i n a i k o Ro b e r t J E x t e r n all y c o n t r o l l e d i n t e s t i n al c o n t e n t s a in - p l e r US P a t e nt 5 31 6 01 5， 1 9 94 7 G u Ho w ard H Gu Ha o L i a n g

27、 I n t e s t i n al fl u i d s a mp l e r US P a t e nt 5 971 94 2， 1 9 99 8 B y u n g k y u Ki m， e t a1 S ma r t c o l o n o s c o p e s y s t e m I n t e l l i g e n t Ro - bot s a n d S y s t e mI EE E RS J I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e ， 2 0 0 2， ( 2 ) ： 1 3 6 7 - 1 3 7 2 9 崔建国，

28、 郑小林等 用于肠道药物释放和采样的遥控式微型 药丸的研制 北京生物医学工程， 2 0 0 4， ( 3 ) 现代制造工程 2 o o s ( u) 1 O 王亚珍 胶囊式 胃肠道取样微机电系统的设计研究 现代 制造工程， 2 0 0 4， ( 5 ) 1 1 王亚珍 人体 胃肠道取样微机器人的设计与研究： 硕士学 位论文 广州： 华南理工大学， 2 0 0 5 1 2 梁浩 胃肠道用微胶囊药物释放微机电系统的设计与研 究： 硕士学位论文 ， 2 0 0 4 1 3 Br e t t S l a t k i n Th e De v e l o p me n t o f a Ro b o t i

29、 c E n d o s c o p e I E EE I n t O n I n t e l l i g e nt R o b o t s a n d S y s t e ms ， 1 9 9 5， 2： 1 6 2 - 1 7 1 1 4 Da r i o P， C a r r o z z a MC， L e n c i o n i L a n d Ma g n an i B A mi c r o r o - b o t for c o l o n o s c o p y P r o c e e d i n g s o f t h e S e v e n t h I n t e r n a

30、 t i o n a l S y mp o s i u m o n Mi c r o Ma c h i n e an d Hu man S c i e n c e 1 9 9 6： 2 2 3 - 22 8 1 5 高立明， 林 良明等 全方向蠕动机器人驱动 内窥镜系统的 研究 中国生物医学工程学报， 1 9 9 8 ， 1 7 ( 1 ) 1 6 l 周银生l ， 贺惠农等 医用微型机器人无损伤体内驱动方 法， 科学通报， 1 9 9 9 ， ( 2 O ) 1 7 穆晓枫， l 周银生l 等 一种医用肠道机器人的理论分析与试 验研究 机械工程学报， 2 0 0 4 ， 4 O ( 7 ) 电话 ： ( 0 2 0 ) 8 7 1 1 2 3 41 收稿 日期 ： 2 0 0 5 0 9 0 2 1 21 维普资讯 http:/